2018高中化学第一单元走进化学工业1.1化工生产过程中的基本问题课件新人教版选修.pptx

第一单元 走进化学工业,课题1 化工生产过程中的基本问题,1.以硫酸生产为例,能记住化工生产过程中应解决的基本问题。 2.会运用接触法制硫酸的化学反应原理,能记住其生产过程和典型设备。 3.能记住防止硫酸工业“三废”造成污染的方法和“废热”利用等知识。,一,二,三,四,五,一、依据化学反应原理确定生产过程 1.化工生产与化学反应的关系 化工生产依据化学反应原理符合化学反应规律基础实验室研究。 2.确定化工生产反应原理与过程的一般方法 对于某一具体的化工产品,研究生产过程要从产品的化学组成和性质考虑,来确定原料和生产路线。 3.确定化工生产反应原理与过程的案例研究生产硫酸 (1)关于工业制硫酸的反应原理及过程需考虑的因素。 分析产品的化学组成,据此确定生产该产品的主要原料。从H2SO4的组成看,原料应该是自然界存在的含硫物质,如硫黄、黄铁矿(主要成分是FeS2)等。,一,二,三,四,五,分析产品与生产原料之间关键元素的性质,确定主要生产步骤。H2SO4中S的化合价是+6价,因此先从S或FeS2得到SO3,再由SO3与H2O反应得到H2SO4。 分析生产原料的性质,确定反应原理。生产H2SO4的主要化学过程可以分成SO2的生成和SO2转化为SO3两个阶段。,一,二,三,四,五,(2)工业制硫酸的过程及反应原理。 工业上制硫酸主要分造气、催化氧化和吸收三个阶段。以硫黄为原料制硫酸的反应原理用化学方程式表示为:,一,二,三,四,五,生产硫酸的方法为什么叫接触法? 提示SO2和O2是在催化剂表面接触反应的,主要设备叫接触室。 SO3的吸收是用水还是用98%的硫酸,为什么? 提示实际生产中,并不直接用水吸收SO3,而是用98%的硫酸吸收。这样可避免形成酸雾并提高吸收效率。,一,二,三,四,五,二、生产中原料的选择 1.在工业生产中,选择原料除依据化学反应原理外,还有许多因素要考虑,如厂址选择、原料、能源、工业用水的供应能力、贮存、运输、预处理成本及环境保护等。 2.目前,世界大多数国家生产硫酸主要以硫黄为原料,我国早期主要是以黄铁矿为原料制硫酸的。,一,二,三,四,五,三、生产中反应条件的控制 1.生产中反应条件的选择 在化工生产中要通过反应条件的控制使化学反应速率和反应物的转化率都比较理想,还要同时考虑控制某些反应条件的成本和实际可能性。 2.硫酸工业生产中条件的选择 对二氧化硫的催化氧化: (1)温度条件。 选择400500 作为操作温度,因为在这个温度范围内,反应速率和二氧化硫的转化率都比较理想。 (2)压强条件。 增大气体压强,SO2的平衡转化率提高得并不多,所以,通常采用常压操作。,一,二,三,四,五,(3)催化剂。 催化剂对化学平衡没有影响,但能改变到达平衡所需的时间。,对于反应2SO2+O2 2SO3: 为什么降低温度和增大压强有利于提高转化率? 其他条件不变,增大O2的浓度或减小SO3的浓度对化学平衡有什么影响? 提示根据平衡移动原理,降低温度和增大压强都使该化学平衡向正反应方向移动。 增大O2的浓度或减小SO3的浓度都使该化学平衡向正反应方向移动。,一,二,三,四,五,四、生产中三废的处理 1.尾气吸收 硫酸生产的尾气中含有少量SO2,可用石灰水吸收,再用硫酸处理,从而得到含量较高的SO2,可返回用作原料。化学方程式为SO2+Ca(OH)2 CaSO3+H2O,CaSO3+H2SO4 CaSO4+SO2+H2O。 2.污水处理 硫酸生产过程中的污水,含有酸性杂质,可用石灰乳进行中和处理。 3.废渣的利用 炉渣和矿灰可作为炼铁的原料,废渣还可作为制造水泥的原料或用于制砖。,一,二,三,四,五,硫酸生产过程中的污水中含有酸性物质,为减小其对环境的危害应如何处理? 提示可用碱性物质将其中和,如用石灰乳或纯碱处理废水。涉及的化学方程式为,一,二,三,四,五,五、能量的充分利用 1.硫酸生产过程中的三个反应都是放热反应。 2.硫酸工业充分利用废热的方法是:利用SO2氧化为SO3时放出的热量来预热即将参加反应的SO2和O2。,你认为在硫酸工业中合理利用能源,可采取哪些措施? 提示(1)在沸腾炉(造气炉)旁设置蒸汽锅炉进行发电。 (2)在接触室(催化反应室)中设置热交换器,一方面预热反应原料气,另一方面使接触氧化后的气体降温到适宜温度。 (3)在接触室(催化反应室)附近建造浴室,提高劳动福利或创造经济效益。,一,二,三,一、工业制备硫酸的过程 1.三原料 工业上制硫酸所需的原料有硫(S)、空气、水。用硫黄作原料成本低、对环境污染少。我国硫黄资源较少,在早期相当一段时间内,主要用黄铁矿(FeS2)作原料。,一,二,三,2.三反应,3.三设备(以FeS2为原料),一,二,三,4.三原理 (1)化学平衡原理:增大反应物间接触面积,能提高反应速率;增大反应物浓度,能提高反应速率并使化学平衡向正反应方向移动,以充分提高原料利用率。 (2)热交换原理:在接触室中生成的热量经过热交换器,传递给进入接触室需要预热的混合气体,为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。 (3)逆流原理:液体由上向下流,气体由下向上升,两者在逆流过程中充分反应。,一,二,三,二、SO2接触氧化适宜条件的选择 1.温度 SO2接触氧化是一个放热的可逆反应,根据化学平衡移动原理判断,温度较低对提高SO2的转化率有利。但是,温度较低时催化剂活性不高,反应速率低。在实际生产中,选定400500 作为操作温度,这时反应速率和SO2的转化率都比较理想,而且催化剂的活性较高。 2.压强 SO2催化氧化是一个气体总体积减小的可逆反应,根据化学平衡移动原理判断,增大压强对提高SO2的转化率有利。但是在常压、400500 时,SO2的转化率已经很高,增大压强对设备的要求高,增大投资和能量消耗,故在实际生产中,通常采用常压操作。,一,二,三,3.适当过量的空气 目的是提高SO2的转化率。 综上所述,接触氧化的适宜条件是常压、较高温度(400500 )和催化剂。 特别提醒接触法制硫酸应注意: 送进沸腾炉的原料要粉碎成细小的矿粒。 通入接触室的混合气体必须预先净化,防止催化剂中毒及水蒸气对生产和设备造成不良影响。 吸收塔中用质量分数为98%的硫酸吸收SO3,而不用水或稀硫酸,防止形成酸雾,使吸收速率减慢。,一,二,三,三、硫酸工业中连续多步反应的计算 1.关系式法 关系式法解题需要找准关系式,找关系式的一般方法是根据涉及的多步反应的化学方程式,依照质量守恒或电子守恒的原则找出连续多步反应中元素的转化关系,如在用黄铁矿制硫酸时,根据转化过程中硫原子守恒的原则可以找到这样的关系式: FeS22SO22SO32H2SO4或SSO2SO3H2SO4 在工业制硫酸的有关计算中通常利用以上两关系式解题。,一,二,三,2.常见量的计算公式,(5)多步反应的总转化率=各步反应转化率的乘积,一,二,三,特别提醒(1)一种化合物中,一种元素的转化率等于该化合物的转化率,例如在FeS2向SO2转化的过程中,若硫元素的转化率为99%,则FeS2的转化率也为99%。 (2)在同一个化学反应或多个相关联的化学反应中,具有个别元素质量守恒关系的反应物和生成物,反应物的转化率等于生成物的产率,例如在FeS2向SO2转化的过程中,FeS2的转化率必等于SO2的产率,在FeS2向H2SO4转化的过程中,FeS2的转化率等于H2SO4的产率。,知识点1,知识点2,知识点3,硫酸工业的生产原理 【例题1】 硫酸最古老的生产方法是把绿矾装入反应器中加强热,会流出油状液体,并放出有刺激性气味的气体(SO2),反应器中的固体变为红色。 (1)写出这种方法中绿矾转化为硫酸的两个化学方程式: ; 。 (2)与现代以硫黄为主要原料生产硫酸的方法相比,这种古老的生产硫酸的方法存在若干不足,试从原料的利用率、环境保护、生产原理等方面加以说明。,知识点1,知识点2,知识点3,解析：绿矾的化学式为FeSO47H2O,其中铁的化合价是+2、硫的化合价是+6。题中指出,加强热后容器内生成了红色固体,这说明有Fe2O3生成。在FeSO47H2O Fe2O3的变化中铁元素被氧化,则必有+6价的硫元素被还原。在此基础上,运用质量守恒原理和氧化还原反应原理进行分析判断,即可写出FeSO47H2O Fe2O3的完整的化学方程式。,(2)FeSO47H2O中的硫元素仅有50%转化为SO3,原料利用率低,生成的SO2污染环境,反应中易形成硫酸酸雾。,知识点1,知识点2,知识点3,生产中反应条件的控制 【例题2】 工业上生产硫酸时,利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。压强及温度对SO2转化率的影响如下表(原料气各成分的体积分数:SO2 7%,O2 11%,N2 82%):,知识点1,知识点2,知识点3,(1)已知SO2的氧化是放热反应,如何利用表中数据推断此结论? 。 (2)在400500 时,SO2的催化氧化采用常压而不是高压,主要原因是 。 (3)选择适宜的催化剂,是否可以提高SO2的转化率? (填“是”或“否”)。是否可以增大该反应所放出的热量? (填“是”或“否”)。 (4)为提高SO3吸收率,实际生产中用 吸收SO3。 (5)已知:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g) H=-196.6 kJmol-1,计算每生产1104 t 98%硫酸所需要的SO3质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量。,知识点1,知识点2,知识点3,解析：(1)根据表格中的数据可以看出,在相同压强下(如在0.1 MPa下),升高温度(如由400 升高到500 )时,SO2的转化率降低(由99.2%降低为93.5%),即升高温度时,此化学平衡向逆反应方向移动,而升高温度,化学平衡应该向吸热反应方向移动,所以此反应的正反应为放热反应。(2)根据表格中的数据可以得知,在400 、0.1 MPa时,SO2的转化率已经很高,若增大压强到10 MPa,SO2的转化率只增大了0.7%,变化不大。而压强增大100倍,需要对设备的材料、动力、能源等都作相应的提高,即要增大成本投入。(3)使用催化剂只能改变反应到达平衡的时间,不能使化学平衡发生移动,即对SO2的转化率不产生影响;而在一定条件下,化学反应放出的热量与参加反应的反应物的量成正比,因SO2的转化率不变,所以反应放出的热量也不会增大。(4)在生产实际中是采用98%的硫酸作吸收剂来吸收SO3的。因为若用水或稀硫酸进行吸收会形成酸雾,将影响SO3的吸收速率和效率。,知识点1,知识点2,知识点3,(5)SO2SO3H2SO4 反应热 解得:m(SO3)=8.0109 g=8.0103 t,Q=9.83109 kJ。,答案：(1)压强一定时,温度升高,SO2转化率下降,说明升温有利于反应逆向进行,所以正反应为放热反应 (2)增大压强对提高SO2转化率无显著影响,反而会增加成本 (3)否 否 (4)98%的硫酸 (5)m(SO3)=8.0103 t,放出9.83109 kJ热量,知识点1,知识点2,知识点3,点拨(1)化工生产条件的选择是理论联系生产实际的一个重要应用,在选择生产条件时既要考虑外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响,又要考虑生产实际问题。 (2)催化剂只能改变可逆反应的化学反应速率,而不会使其平衡发生移动,故不能提高SO2的转化率及反应过程中放出的热量。 (3)对于可逆反应,其热化学方程式中的焓变是指可逆反应进行到底的热效应,计算时根据方程式列比例计算即可。,知识点1,知识点2,知识点3,硫酸工业中的多步计算题 【例题3】 某硫酸厂初步处理后的尾气中含0.2%的SO2和10%的O2(均为体积分数)。为了进一步除去尾气中的SO2,并将SO2转变为(NH4)2SO4,有人设计了如下方案:在400 时,尾气以5 m3h-1的速率通过V2O5的催化剂层后,与20 Lh-1速率的氨气混合喷水。此时气体温度由400 降至200 ,在热的结晶装置中得到(NH4)2SO4晶体(气体的体积已转换为标准状况)。请回答下列问题: (1)按反应中的理论值,SO2和O2的体积比为21,但实际生产中尾气处理时这个比值是多少?为什么? (2)通过计算说明为什么尾气以5 m3h-1的速率与20 Lh-1 速率的氨气混合? (3)若该厂每天排放10 000 m3尾气,求该厂每月(按30天计算)可得到(NH4)2SO4的质量为多少?,知识点1,知识点2,知识点3,解析：(1)根据2SO2+O2 2SO3,SO2和O2按21(体积比)的理论值反应,但实际上V(SO2)V(O2)=0.2%10%=150。根据化学平衡移动原理,增大廉价的氧气的浓度,可以提高较贵重的二氧化硫的转化率。,SO2 2NH3 (NH4)2SO4 22.4 L 132 g 107 L0.2%30 m(NH4)2SO4 m(NH4)2SO43.54106 g=3.54 t,知识点1,知识点2,知识点3,答案：(1)150。原因:根据化学平衡移动原理,增大廉价的氧气的浓度可使反应:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)向生成三氧化硫方向移动,这样可以提高较贵重的SO2的转化率。 (2)2NH3 SO2 2 1 v(NH3) 5103 Lh-10.2% v(NH3)=20 Lh-1 (3)3.54 t,1 2 3 4 5 6,1下列对硫酸生产中化学反应原理的分析正确的是( ) A.硫酸生产中涉及的三个化学反应因原料的不同可能全部是氧化还原反应 B.硫酸生产中涉及的三个化学反应都是放热反应 C.硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要使用催化剂 D.硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要在较高温度下进行 解析：硫酸生产中涉及的三个化学反应都是放热反应;三个反应中只有SO2 SO3需使用催化剂;SO3 H2SO4在常温下进行,是非氧化还原反应。 答案：B,1 2 3 4 5 6,2下列说法中正确的是( ) A.在设计化工生产的化学反应条件时,只要将化学反应的特点和化学反应理论相结合进行全面分析就没问题了 B.在设计化工生产的化学反应条件时,若化学反应的速率很高,就不需要考虑催化剂的问题 C.在现代,工业上将二氧化硫氧化为三氧化硫的适宜条件是高温、高压和催化剂 D.在2SO2+O2 2SO3中,对“450 ”的选择,来自对反应物性质和催化剂性质的综合考虑 解析：在设计化工生产的化学反应条件时,若化学反应速率很高而对生产不利时,就要考虑施加负催化剂的问题。 答案：D,1 2 3 4 5 6,3下列关于硫酸工业生产的说法中正确的是( ) A.建筑高烟囱,使尾气在高空扩散稀释 B.设置“废热”锅炉,产生蒸汽来供热或发电 C.使用V2O5作催化剂,提高SO2的转化率 D.在吸收塔中,直接用水吸收三氧化硫 解析：A项不能从根本上处理尾气;C项使用V2O5不能提高SO2的转化率,只能加快反应速率;D项应该用98%的硫酸代替水吸收SO3,可防止产生酸雾。 答案：B,1 2 3 4 5 6,4硫酸工业中,常用浓硫酸吸收三氧化硫,而不用水来吸收的原因是( ) A.三氧化硫溶于浓硫酸,不易溶于水 B.用浓硫酸吸收三氧化硫速度虽慢,但损失三氧化硫少 C.用水吸收易形成酸雾,吸收速度慢 D.用水吸收得到的不是纯硫酸 解析：用98%的硫酸吸收SO3可以避免形成酸雾并提高吸收率。 答案：C,1 2 3 4 5 6,